Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание ВИЛ 7
1.1 Объект исследования 7
1.2 Обзор публикаций и применений 11
Глава 2. Электромеханические и энергетические свойства ВИЛ 25
2.1 Общие сведения 25
2.2.Описание модели ВИМ 27
2.3 Анализ работы ВИЛ на участке токоограничения 31
2.4 Анализ влияния управляющих воздействий на режим работы ВИЛ 33
2.5 Выбор оптимальных углов коммутации 40
Глава 3 Реализация алгоритма бездатчиковой самокоммутации ВИЛ 51
3.1 Обзор способов реализации бездатчиковой самокоммутации 51
3.2 Обоснование структуры бездатчикового управления ВИЛ 58
3.3 Требования к аппаратным и программным средствам 65
3.4 Влияние отклонения параметров алгоритма на электромеханические свойства ВИЛ 75
3.4.1 Высокоскоростной привод 87
3.4.2 Лизкоскоростной привод 92
3.5 Уточнение алгоритма управления по результатам экспериментальных исследований 94
Глава 4 Исследование пуска привода в режиме бездатчиковой самокоммутации 98
4.1 Экспериментальное определение зоны устойчивого пуска ...98
4.2 Математическая модель пуска в режиме бездатчиковой самокоммутации
4.3 Влияние управляющих воздействий и изменений параметров объекта на зону устойчивого пуска 114
Заключение 119
Список использованной литературы
- Анализ работы ВИЛ на участке токоограничения
- Анализ влияния управляющих воздействий на режим работы ВИЛ
- Обзор способов реализации бездатчиковой самокоммутации
- Экспериментальное определение зоны устойчивого пуска
Введение к работе
Регулируемый электропривод занимает важное место в современных электротехнических системах. Доля использования данных приводов возрастает с каждым годом. Применение регулируемых электроприводов в различных областях промышленности обусловлено общей тенденцией к уменьшению потребления электроэнергии, увеличению надежности, росту производительности и многофункциональности систем. Сопутствующим фактором в этом процессе является применение микропроцессоров и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить функциональные возможности автоматизированного электропривода и улучшить его технические и экономические характеристики.
Последнее время, отмечается заметно возрастающее внимание, уделяемое исследованию вентильно-индукторного привода и возможностям его конкретного применения.
Индукторная машина это машина, в которой момент создается в процессе перемещения подвижной части в положение, когда индуктивность возбужденной обмотки является максимальной[1], [2]. Это относится как к вентильно-индукторной, так и к синхронной машине. Вентильно-индукторный двигатель имеет явновыраженные полюса на роторе и статоре и работает как вентильно-индукторный шаговый двигатель с той лишь разницей, что фазные токи включаются и отключаются в момент, когда ротор находится в определенных положениях, которые могут изменяться от скорости и момента. Такой тип двигателя не может работать без электронного преобразователя или котроллера, который в каждом конкретной случае имеет свою конструкцию и настройку и имеет мало общего с традиционным приводом переменного тока.
Вентильно-индукторный привод, введу своей конструкционной простоты, был известен очень давно, но лишь в последнее время благодаря бурному развитию силовой полупроводниковой техники нашел свое место среди других типов приводов. Есть основания полагать, что в ближайшее время вентильно -
индукторные привода составят серьезную конкуренцию имеющимся электроприводам традиционных типов. Однако высокие показатели можно получить лишь при алгоритме управления, учитывающем специфические особенности ВИП.
Конструкция рассматриваемых электрических машин такова, что традиционные методики расчета магнитной системы двигателя, а равно существующие алгоритмы управления не могут использоваться без серьезной адаптации к новым условиям.
Наиболее перспективными применениями ВИП являются высокоскоростные установки и низкоскоростные агрегаты с большими моментами. Одной из рациональных областей применения ВИП являются бытовая техника и малые транспортные средства, - велосипеды, скутеры, транспортные тележки, мотороллеры, инвалидные коляски и т.д. Для указанных применений предпочтительны алгоритмы, требующие минимального числа датчиков, исключающие специальные дорогие датчики электрических величин, невысокой процессорной мощности и обеспечивающие робастность функционирования.
Как уже было отмечено, под вентильным режимом работы электропривода подразумевается синхронная с изменением положения ротора коммутация тока в фазах электрической машины. Для этого обычно используется связанный с валом двигателя датчик положения. Наличие датчика положения ротора усложняет конструкцию двигателя, интерфейс между контроллером и двигателем, снижает надежность работы в условиях электромагнитных помех и в агрессивных средах, а в конечном счете увеличивает стоимость электропривода и затраты на его обслуживание. Этот недостаток является одним из факторов, сужающих сферу применения вентильных приводов, особенно в массовых приложениях, чувствительных к стоимости электропривода и уровню его эксплуатации.
6 Бурное развитие в течение последних десятилетий микропроцессорных средств стимулировало исследователей на разработку способов устранения из систем управления вентильных электроприводов датчика положения ротора за счет совершенствования алгоритмов управления и косвенного измерения положения по сигналам электрических величин.
Все изложенное выше определяет актуальность работы со следующей целью. Разработка новых алгоритмов управления, позволяющих эффективно использовать ВИЛ в качестве электропривода широкого назначения. Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи. -исследование электромеханических свойств ВИЛ, анализ влияния изменения
параметров объекта и алгоритма управления на механические характеристики
ВИЛ; -изучение возможности практической реализации бездатчикового алгоритма
управления ВИЛ для указанных применений;
-анализ процесса пуска в режиме бездатчиковой коммутации и определение зоны устойчивого пуска;
-анализ влияния возмущающих и управляющих воздействий на пуск ВИЛ.
Анализ работы ВИЛ на участке токоограничения
Прежде всего отметим, что переход в режим токоограничения при опережающих углах начинается при меньших значениях момента. Объяснением этому служит тот факт, что из-за наличия в форме тока явного максимума, токоограничение начинает работу раньше, нежели при базовом угле. Иллюстрацией этого являются осциллограммы токов при постепенном возрастании нагрузки (рис. 2.5) для характеристики при опережающем угле (рис. 2.1). Также можно наблюдать, что при скоростях больше 1450 об/мин токоо-граничение действует лишь на небольшом участке, по мере снижения скорости доля зоны, работающей в токовом коридоре, увеличивается. Далее, при скоростях меньше 500 об/мин форма тока стремится к прямоугольной за счет уменьшения интервала отключения фазы.
При опережающем угле включения наблюдается явно выраженный максимум момента в механической характеристике, после чего момент начинает уменьшаться. При этом максимум момента меньше, чем момент токоограниче-ния при базовом угле. При работе с отстающим углом включения момент при уменьшении скорости постоянно растет и при низких скоростях даже несколько превышает момент, полученный при базовом угле (см. представлены участки работы фазы относительно кривой индуктивности, которая в данном / I \ рис. 2.1).
Для объяснения этого явления обратимся к рис. 2.6, где L ef Є2 63 Є4 случае представлена с помощью линейной аппроксимации. В общем виде возможно наличие четырех участков.
Первый участок 01 - работа до начала перекрытия зубцов. На этом участке, так как ДЛ/Д0=О, момент так же равен нулю, а ток линейно нарастает. Второй уча-Рис. 2.6. Участки работы сток от момента начала перекрытия зубцов до момента отключения фазы - 02. Именно на этом участке действует токоо-граничение. Третий участок 03 от момента отключения фазы до согласованного положения зубцов статора и ротора. На этом участке, как и на предыдущем, создается активный момент. Четвертый участок 04 - работа при уменьшающейся индуктивности. На данном участке создается тормозной момент.
При базовом угле включения обычно имеется совсем небольшой участок 01 и практически отсутствует участок 04. При низких скоростях форма тока при любом угле включения становится близкой к прямоугольной, при этом активный момент будет зависеть только от того, какая часть работы фазы происходит при растущей индуктивности - на участках 02 и 03. Для базового угла включения при уменьшении скорости уменьшается участок 03, поскольку при неизменном напряжении отключения уменьшается ЭДС вращения (или время спадания потока и тока до нуля остается неизменным, а период коммутации фаз увеличивается), что приводит к небольшому уменьшению создаваемого момента.
При отстающем угле весь участок работы фазы приходится на зону роста индуктивности (01 = 0), следовательно, именно при таком угле будет развиваться максимальный момент при скорости, стремящейся к нулю при одном и том же уровне токоограничения. На начальном участке снижения скорости момент растет достаточно интенсивно за счет уменьшения участка 04 и более крутого роста тока при включении фазы.
При опережающем угле значительная часть работы фазы приходится на зону 01, где момент практически не создается, этим объясняется меньшее значение максимального момента по сравнению с максимальным моментом для базового угла.
При снижении скорости протяженность участка 03 постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению движущего момента в целом.
При работе на участке токоограничения имеется возможность задавать необходимую форму тока, изменяя уставку токоограничения определенным образом. При отсутствии работы токоограничения такой возможности нет. Как известно, изменение частоты вращения и момента нагрузки оказывает влияние на форму тока [8]. В свою очередь форма тока и его среднее значение на рабочем интервале определяют мгновенное и среднее значения момента. Однако, ввиду несинусоидальной формы тока получение аналитических зависимостей не представляется возможным. Следовательно, необходимо исследовать влияние изменения напряжения питания, угла коммутации, момента нагрузки и связанной с ним частоты вращения на форму тока.
Экспериментальные испытания проводились при трех различных углах включения (9вкл1=-165, 0Вкл2=-184 и 9вкл3=-195 эл.град.) для машины 12/8. Здесь и далее в качестве единицы измерения положения зубцов используются электрические градусы. На рис. 2.7 представлены осциллограммы токов, полученные на скорости 1000 об/мин и нагрузке 10 Н-м. Поддержание постоянства скорости при изменении нагрузки осуществлялось путем соответствующего изменения напряжения. На том же рисунке изображена экспериментальная зависимость индуктивности фазы от угла положения ротора.
Анализ влияния управляющих воздействий на режим работы ВИЛ
Также можно наблюдать, что при скоростях больше 1450 об/мин токоо-граничение действует лишь на небольшом участке, по мере снижения скорости доля зоны, работающей в токовом коридоре, увеличивается. Далее, при скоростях меньше 500 об/мин форма тока стремится к прямоугольной за счет уменьшения интервала отключения фазы.
При опережающем угле включения наблюдается явно выраженный максимум момента в механической характеристике, после чего момент начинает уменьшаться. При этом максимум момента меньше, чем момент токоограниче-ния при базовом угле. При работе с отстающим углом включения момент при уменьшении скорости постоянно растет и при низких скоростях даже несколько превышает момент, полученный при базовом угле (см. рис. 2.1).
Для объяснения этого явления обратимся к рис. 2.6, где представлены участки работы фазы относительно кривой индуктивности, которая в данном случае представлена с помощью линейной аппроксимации. В общем виде возможно наличие четырех участков.
Первый участок 01 - работа до начала перекрытия зубцов. На этом участке, так как ДЛ/Д0=О, момент так же равен нулю, а ток линейно нарастает. Второй уча-Рис. 2.6. Участки работы сток от момента начала перекрытия зубцов до момента отключения фазы - 02. Именно на этом участке действует токоо-граничение. Третий участок 03 от момента отключения фазы до согласованного положения зубцов статора и ротора. На этом участке, как и на предыдущем, создается активный момент. Четвертый участок 04 - работа при уменьшающейся индуктивности. На данном участке создается тормозной момент.
При базовом угле включения обычно имеется совсем небольшой участок 01 и практически отсутствует участок 04. При низких скоростях форма тока
при любом угле включения становится близкой к прямоугольной, при этом активный момент будет зависеть только от того, какая часть работы фазы происходит при растущей индуктивности - на участках 02 и 03. Для базового угла включения при уменьшении скорости уменьшается участок 03, поскольку при неизменном напряжении отключения уменьшается ЭДС вращения (или время спадания потока и тока до нуля остается неизменным, а период коммутации фаз увеличивается), что приводит к небольшому уменьшению создаваемого момента.
При отстающем угле весь участок работы фазы приходится на зону роста индуктивности (01 = 0), следовательно, именно при таком угле будет развиваться максимальный момент при скорости, стремящейся к нулю при одном и том же уровне токоограничения. На начальном участке снижения скорости момент растет достаточно интенсивно за счет уменьшения участка 04 и более крутого роста тока при включении фазы.
При опережающем угле значительная часть работы фазы приходится на зону 01, где момент практически не создается, этим объясняется меньшее значение максимального момента по сравнению с максимальным моментом для базового угла.
При снижении скорости протяженность участка 03 постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению движущего момента в целом.
При работе на участке токоограничения имеется возможность задавать необходимую форму тока, изменяя уставку токоограничения определенным образом. При отсутствии работы токоограничения такой возможности нет. Как известно, изменение частоты вращения и момента нагрузки оказывает влияние на форму тока [8]. В свою очередь форма тока и его среднее значение на рабочем интервале определяют мгновенное и среднее значения момента. Однако, ввиду несинусоидальной формы тока получение аналитических зависимостей не представляется возможным. Следовательно, необходимо исследовать влияние изменения напряжения питания, угла коммутации, момента нагрузки и связанной с ним частоты вращения на форму тока.
Экспериментальные испытания проводились при трех различных углах включения (9вкл1=-165, 0Вкл2=-184 и 9вкл3=-195 эл.град.) для машины 12/8. Здесь и далее в качестве единицы измерения положения зубцов используются электрические градусы. На рис. 2.7 представлены осциллограммы токов, полученные на скорости 1000 об/мин и нагрузке 10 Н-м. Поддержание постоянства скорости при изменении нагрузки осуществлялось путем соответствующего изменения напряжения. На том же рисунке изображена экспериментальная зависимость индуктивности фазы от угла положения ротора.
Из рис. 2.7 видно, что для всех углов коммутации ток при отключении фазы не успевает уменьшиться до нуля к моменту, когда зубцы статора и ротора приходят в согласованное положение, и часть времени фаза работает в тормозном режиме.
В используемом способе управления углы включения и отключения фазы регулируются с дискретой разрешающей способности импульсного датчика положения ротора. При использовании зубчатого колеса с 24 зубцами и двух оп-то-датчиков, сдвинутых относительно друг друга на 90, квадратурная обработка этих двух каналов дает учетверение разрешающей способности и 96 меток на оборот. Поэтому угол включения фазы регулировался с дискретой в 30. Как уже упоминалось, использовалась только одиночная коммутация, при которой угол отключения фазы отстоит от угла включения на 120 и совпадает с углом включения последующей фазы.
Начальная установка взаимного положения зубчатого колеса и опто-датчиков задает возможные положения углов коммутации. Возможны разные варианты, нами был выбран тот, при котором переключение выходных сигналов датчиков происходило при одинаковом отклонении ротора от согласованного положения в противоположных направлениях, то есть при смещении на 15.
Обзор способов реализации бездатчиковой самокоммутации
Схемы бездатчиковой самокоммутации можно разделить на три группы:
1. Схемы с разомкнутой структурой, с дополнительными средствами ста билизации: Стабилизация посредством изменения длительности работы фазы Стабилизация посредством изменения угла включения фазы.
2. Схемы, работающие на основе данных, получаемых с рабочей фазы: Неоднородности в полюсах статора и ротора Расчет потокосцепления Релейное регулирование Система наблюдения Регенеративный ток Детектирование формы тока.
3. Схемы, работающие на основе данных, получаемых с нерабочей фазы. Метод взаимной индуктивности Метод активных пробных сигналов Метод модулирования сигнала Метод регенеративного тока.
Краткий обзор всех этих методов приведен в диссертации д.т.н Бычкова М.Г., поэтому нет необходимости повторного их описания, мы остановимся лишь на тех, которые могли бы подойти для электроприводов бытовой техники и малых транспортных средств.
Схемы с разомкнутой структурой характеризуются тем, что двигатель работает в разомкнутой системе, не получая информации о положения ротора, то есть работая с частотой подаваемых на ключи импульсов, в так называемом шаговом режиме. При этом вспомогательными средствами осуществляется стабилизация момента, без которой двигатель работает неустойчиво, вследствие большого угла между полюсами и плохим демпфированием. Обычно реализуются схемы регулирования угла работы или угла коммутации для осуществления максимально эффективного использования синхронизирующего момента.
Miller [37] показал, что максимум синхронизирующего момента пропорционален интервалу работы фазы, а КПД обратно пропорционален этому интервалу. Кроме того, оба максимума находятся в районе одного и того же угла отключения фазы. Таким образом, интервал работы фазы можно целенаправленно изменять для компенсации действия момента нагрузки и получения постоянства угла отключения фазы. В качестве сигнала обратной связи используется среднее значение тока в цепи источника питания. Для увеличения стабильности частота задающего генератора также изменяется с изменением нагрузки.
Vukosavic [1] предложил метод, основное отличие которого в том, что интервал работы не изменяется, а регулируется угол опережения при включении фазы. В качестве сигнала обратной связи используется среднее значение энергии, возвращаемой источнику питания, т.е. ток, протекающий через обратные диоды инвертора.
К основным достоинствам данных способов можно отнести достаточно низкую стоимость, оптимизацию КПД с увеличением стабильности в сравнении с разомкнутой системой, а также простоту реализации. Основным недостатком метода являются плохие динамические показатели из-за природы сигнала об ратной связи, также достаточно сложно создать унифицированную настройку, то есть для каждого конкретного случая нужен свой подход. Также метод не применим при нулевой скорости и требует синхронизации углов включения с положением ротора.
Вторая группа методов использует данные о токе и напряжении в фазе, создающей рабочий момент, для косвенного определения положения ротора.
Детектирование изменений в форме тока. Существует несколько реализаций данного метода. Простейшим является метод, при котором контролируется степень изменения формы тока в работающей фазе и в зависимости от результата осуществляется коррекция значения угла. В данном методе не определяется конкретное положение ротора, а происходит сравнение текущей формы кривой тока с заданной. При наличии рассогласования корректируется значение угла включения фаз. Двигатель работает в однопульсном режиме с неизменным интервалом работы фазы, сигналом обратной связи является ток шины питания. В простейшем случае форма тока определяется по двум замерам - в середине и в самом конце интервала работы, в некоторых случаях прибегают к контролю по трем точкам - 1/3, 2/3 и в конце интервала работы. Главный недостаток метода - зависимость формы тока от скорости, что может потребовать большого количества данных для каждого конкретного двигателя до начала его работы.
Лучшие результаты позволяют получить следующие методы: градиента тока - current gradient sensorless method (CGSM) и величины напряжения - voltage magnitude sensorless method (VMSM). CGSM применяется в режиме ШИМ-регулируемого напряжения и основан на определении изменения производной di/dt в момент начала перекрытия зубцов. VMSM применяется в режиме питания от источника тока и основан на определении изменения среднего значения напряжения в момент начала перекрытия зубцов. К достоинствам этих методов относится то, что не требуется предварительное знание каких-либо параметров двигателя кроме конфигурации зубцов.
Экспериментальное определение зоны устойчивого пуска
Согласно результатам, полученным в предыдущей главе, зона значений коэффициентов, обеспечивающих устойчивую работу привода, уменьшается по мере снижения скорости. Как следствие наиболее чувствительным этапом работы является пуск привода, когда скорость в начальный момент равна нулю. В процессе испытаний приводов выяснилось, что параметры алгоритма, обеспечивающие работу идентичную датчиковому режиму, то есть при К и=1 и Кг=1, находятся на границе пуска двигателя. При небольшом уменьшении коэффициента напряжения при неизменном коэффициенте сопротивления Кг=1, либо увеличении коэффициента сопротивления, при неизменном коэффициенте напряжения К и=1, двигатель перестает корректно пускаться.
Под корректным пуском в идеальном случае понимается пуск идентичный датчиковому пуску, проводящемуся при тех же значениях напряжения, уровня токоограничения, угла коммутации, нагрузки. Это подразумевает коммутацию с неизменным углом и следовательно одинаковые осциллограммы токов датчикового и бездатчикового пуска.
На рис 4.1 показаны осциллограммы датчикового и бездатчикового пуска. Можно наблюдать, что первые четыре такта совпадают по длительности и форме осциллограмм. Начиная с пятого такта можно наблюдать небольшие различия в форме тока, тем не менее к этому моменту достигнута достаточная скорость для дальнейшего устойчивого пуска.
На практике при варьировании условий пуска и параметров алгоритма отличия осциллограмм бездатчикового пуска от осциллограммы датчикового пуска могут проявляться в гораздо большей степени, но при этом пуск будет по прежнему стабильным, о чем может свидетельствовать монотонное уменьшение длительности работы каждой последующей фазы.
Поэтому имеет смысл расширить понятие корректного пуска и в дальнейшем подразумевать под этим воспроизводимый при многократных повторениях пуск, приводящий к выходу на заданную частоту вращения за время не превышающее фиксированную величину. В некоторых случаях к этому условию может быть добавлено требование к отсутствию колебаний ротора в противоположенную сторону, которые могут наблюдаться на начальном этапе пуска привода.
Помимо совпадения продолжительности времени соответствующих интервалов работы фаз критерием пуска, идентичного датчиковому пуску, может служить совпадение форм тока. Однако токоограничение не позволяет оценить форму тока на первых тактах, поэтому удобнее проводить анализ пусковых осциллограмм при пониженном напряжении, когда не наступает режима токоограничения. Это позволяет по форме каждого импульса тока косвенно судить об отклонения угла коммутации в процессе пуска.
На рис.4.2 приведена осциллограмма корректного пуска привода при пониженном напряжении, отметим, что только работа первой фазы в первый такт пуска сопровождается режимом токоограничения.
Для упрощения алгоритма пуска и исключения влияния на его характер произвольного начального положения ротора процедура пуска в бездатчиковом варианте происходит следующим образом: подается напряжение в первую фазу на время достаточное для фиксации ротора в согласованном положении (до 2 сек.). Затем напряжение с этой фазы снимается и подается во вторую фазу, далее работа алгоритма ни чем не отличается от обычной работы. То есть фазы коммутируются по достижению расчетным значением потокосцепления линии переключения для заданного угла. Отметим, что признаком нормального пуска при пониженном напряжении является постепенное уменьшение амплитуды токов в фазах, что свидетельствует о росте частоты вращения.
Была поставлена задача детального исследования процесса пуска ВИД в режиме бездатчиковой самокоммутации с целью определения зоны устойчивого пуска при варьировании коэффициентов алгоритма, уровня токоограничения, момента инерции.
Для исследования возможных вариантов пуска был проведен ряд экспериментов. В качестве испытуемого привода был выбран привод 12/16.
В том случае, если имеется погрешность в коэффициентах алгоритма возможно несколько вариантов некорректной реализации пуска привода.
